平朔东露天矿排土场边坡稳定性分析及控制对策

王燕涛，葛山峰，李生龙

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006）

在露天矿生产中，排土场的稳定性是矿山能否正常生产的关键因素之一[1-2]，滑坡是露天煤矿排土场破坏的主要形式，外在原因主要有边坡受到冰冻、雨雪以及日晒等，诱发排土场边坡滑坡的地质灾害的内在原因有地质构造、采矿活动、水文地质条件等，但边坡技术管理方面影响往往被人们忽视。如何选择安全经济的边坡角，保证排土场边坡的稳定性，做到杜绝滑坡事故，对提升矿山经济效益安全性具有重大的现实意义和长远影响[3-4]。目前，已有不少专家学者在这方面进行了研究。陈晓玉[5]基于极限平衡理论的瑞典圆弧法和简化毕肖普法对朝阳露天矿排土场的边坡稳定性进行计算分析，计算结果表明，排土场边坡在各种设计荷载组合情况下，满足规范的最小安全系数要求，边坡是稳定的。但对较高且偏陡边坡，应采取如压坡等处理措施。张春锋等[6]采用GEO－slop 软件和Morgenstern－Price 方法定量计算不同排弃高度对边坡稳定性的影响，计算结果表明：在既定条件下，边坡稳定系数与排弃高度基本呈反比关系。丁鑫品[7]采用Geo Studio 岩土环境模拟计算仿真软件与三维离散元软件3DEC 分别就内排压脚对软岩边坡稳定的控制作用与内排追踪距离的优化方法进行研究结果表明，内排压脚方法对于端帮边坡稳定控制作用明显，当内排追踪距离为40 m时，边坡变形可以得到有效控制，而且生产工作可以实现正常接续。张小雪等[8]针对传统边坡稳定性分析方法事先假定滑动面可能导致边坡稳定分析结果不准确的问题，采用（PFC）颗粒流理论，给出了颗粒流模拟方法，首先对黏土试样的双轴试验进行了数值模拟，并结合摩尔－库仑破坏准则，得到细观参数对宏观特性的影响规律，然后模拟演示了黏性土坡在自重作用下变形破坏的全过程。冯锦艳等[9]在露天矿高陡边坡的优化设计中将数学中的二分法理念引用于边坡角度的优化设计。李文秀等[10]基于限平衡理论和模糊数学理论，对金属露天矿山边坡稳定性进行计算分析，并依此对矿山总体边坡角进行了评价。

为了解决东露天矿北帮东排土场屡次滑坡问题，立足现场实际情况，参考国内已有类似成果，采用离散元PFC 软件分析了排土场典型工程地质剖面的应力分布规律和位移矢量特征，在此基础上建立SLIDE 极限平衡模型开展了边坡稳定的定量评价，最后针对存在隐患的边坡提出了有针对性的稳定控制对策。

1 工程地质概况

平朔东露天煤矿位于平朔矿区北端，隶属山西省朔州市平鲁区管辖，地质储量1 848.92 Mt，设计服务年限75 年，4#、9#、11#煤为本区主要可采煤层，5#、6#、7#、8#煤层为局部可采煤层。平朔东露天矿是在21 世纪初对外合作开发的大型露天矿，是国家煤炭工业“十一五”规划的重点开工项目，也是平朔建设亿吨级矿区的重要组成部分，国家发改委核准的建设规模为20.0 Mt／a，。矿区范围南北长6.53～10.3 km，东西宽4.42～5.47 km，面积48.409 8 km2。煤层厚、煤质好、煤层埋藏浅、地质构造简单，是我国为数不多适合露天开采的优良矿田之一。

平朔东露天矿北端东侧排土场目前最大标高为+1 509 m，已形成6 个排弃台阶，单台阶的高度约为30 m，平盘宽度为40～100 m，单台阶坡面角37°，整体边坡角15°～20°，排弃物料主要为粉砂岩、中砂岩、泥岩、热值低的废煤、少量第四系土体以及电厂煤灰等。随着开采的不断推进，北端东侧排土场排弃量迅速增加，边坡暴露的高度和时间加大，边坡滑坡隐患凸显，对矿山安全生产构成严重威胁。

2 计算剖面

1）工程地质简化模型。为准确评价东露天矿北端排土场边坡的稳定性，同时提出有针对性的稳定控制措施，基于工程地质勘察成果，结合实际情况，在排土场东侧选取7－2#和7－3#2 个典型剖面建立工程地质简化模型，在此基础上开展多台阶排土场、高台阶排土场变形失稳模式差异性研究及其稳定性定量评价，工程地质模型如图1。

图1 排土场边坡稳定分析工程地质模型

2）排弃物料物理力学性质指标。在已有岩土体物理力学性质试验研究成果的基础上，通过工程类比法和反演法获得的东露天矿排土场岩土体物理力学性质指标推荐值见表1。（注：排土场的排弃物顺台阶分层不明显，不同地方性质差异较 大，需结合现场实际勘察结果进行区分，表中填土层是以粉土或粉质黏土为主的松散体。）

表1 东露天矿岩土物理力学性质指标推荐值

3 排土场边坡变形失稳数值模拟

3.1 数值分析模型与参数

PFC（Particle Flow Code）是在Peter Cundall 主持下采用细观离散元理论（又称为粒子流理论）开发的一种数值计算平台，可以广泛地应用于研究细观结构控制问题。PFC 允许粒子发生有限位移和转动粒子间可以完全脱离，在计算过程中能够自动辩识新的接触，在描述岩土体介质特殊特性方面有着其他常用数值方法不可比拟的优势[11]。

排土场边坡PFC 数值模型尺寸大小与极限平衡分析模型一致，在模型左右边界施加沿x 方向的固定约束，底部边界施加沿y 方向的固定约束。PFC模拟计算主要分以下4 步：①采用颗粒流程序内部自带程序生成初始长方形边坡模型；②用Fish 编写函数进行地层划分；③赋予不同地层相应的细观力学参数进行计算，消除不均衡力；④开挖形成边坡外部坡型，进行第二次计算。建立的边坡PFC 数值模型如图2，2 个模型所包含的颗粒总数分别为42 027和10 303。数值模型包括排土场下部基底和上部填土2 部分，两者在模型中分别用浅色和深色标示出。

图2 北端东侧排土场边坡PFC 数值分析模型

PFC 颗粒流程序需要输入的是细观力学参数，参数选取要依据室内岩土压缩试验，通过多次调试，当数值模型的宏观力学参数与室内试验一致，才能将其用于各边坡模型。通过测试和分析得到的排土场边坡细观力学参数取值见表2。

表2 排土场边坡各层物料细观力学参数

3.2 排土场边坡变形失稳机理分析

3.2.1 北段东侧排土场7－2 剖面

北端东侧排土场7－2 剖面数值分析结果如图3。由边坡应力分布图（图3（a））可知，排土场各台阶应力由坡顶到坡底逐渐增大，坡脚位置应力集中明显。坡顶处应力最小，约为0.02～0.5×10-6MPa，坡脚处达到最大，约为2.5～3 MPa，模型最大接触力出现在模型底部，为6.2134 MPa。

图3 北端东侧排土场7－2 剖面数值分析结果

由边坡位移矢量图（图3（b））可知，由于该剖面位置边坡上部台阶边坡角较陡且单高度较大，最上部台阶及其下部台阶坡面中部存在局部崩塌的可能，最大位移量为6.259 m。

由边坡潜在滑移区域示意图（图3（c））可知，7－2 剖面边坡可能出现的局部崩塌范围主要有2 处，分别为最上部台阶及其下部台阶中部，破坏模式为散体物料内部的圆弧形滑动，破坏深度有限，为了保证边坡安全，现场应加强巡查，同时建议采用边坡雷达等监测手段实现对该区域地表变形的全天候自动监测。

3.2.2 北段东侧排土场7－3 剖面

北端东侧排土场7－3 剖面数值分析结果如图4。

虽然7－3 剖面位置边坡总体高度及整体边坡角与7－2 剖面位置基本相同，但由于7－3 剖面单台阶高度较大，除边坡应力分布趋势外，位移矢量和潜在滑移区域存在明显差异。由边坡应力分布图（图4（a））可知，坡顶处应力最小，约为0.01～0.5×10-6MPa，坡脚处达到最大，约为2.5～3 MPa，模型最大接触力出现在模型底部，为5.002 8 MPa。

由边坡位移矢量图（图4（b））可知，由于单台阶高度较大，在地表降水、爆破震动等因素的共同作用下，极易发生由坡顶至坡底的大范围圆弧滑动，最大位移量为24.99 m。

图4 北端东侧排土场7－3 剖面数值分析结果

由边坡潜在滑移区域示意图（图4（c））可知，7－3 剖面边坡可能出现滑坡的区域为最上部台阶，破坏模式为单台阶内部的圆弧形滑动，为了保证生产安全，建议加强巡视和监测，必要时采取专门措施减小上部台阶高度。

4 排土场边坡稳定性及控制对策

4.1 基于SLIDE 的边坡稳定分析

SLIDE 是加拿大RocScience 公司开发的一款使用垂直条块极限平衡分析方法来分析滑动面稳定性的软件，该软件可分析单条滑面，也可使用自动搜索方法来搜寻给定边坡的临界滑动面，可适用于寻找圆弧或非圆弧滑动面，集成了Bishop、Janbu、Spencer、GLE/M－P 和其他一些方法，可考虑多种材料模型，比如各向异性、非线性摩尔一库仑等，计算过程中可在模型上施加线性荷载、分布荷载或动荷载[12-13]。

根据研究区域及其周边地质条件，结合边坡变形失稳机理及破坏模式分析成果，选取7－2#和7－3#2 个剖面进行边坡稳定性定量评价。基于《煤炭工业露天矿设计规范》关于露天煤矿边坡安全系数的规定，结合现场实际，采用的边坡稳定性判别标准为：边坡安全系数大于1.20，边坡稳定；边坡安全系数在1.10～1.20 之间，边坡基本稳定；边坡安全系数在1.0～01.10 之间，边坡存在一定风险；边坡安全系数在小于1.00，边坡不稳定。

以排土场典型工程地质模型为基础，建立SLIDE 极限平衡分析模型，通过分析计算，得到存在安全隐患的边坡位置及安全系数如图5。

图5 北帮东排土场2 个典型剖面稳定分析结果

7－2 剖面边坡上部第一级台阶安全系数为0.970，稳定状态为不稳定，上部第二级台阶安全系数为1.079，稳定状态为存在一定风险；7－3 剖面上部第一级台阶安全系数为1.073，稳定状态为存在一定风险，边坡典型位置稳定性分析结果汇总见表3所示。对比发现，极限平衡分析结果与数值模拟得到的不稳定位置基本吻合。

表3 排土场边坡稳定性分析结果统计表

4.2 排土场边坡稳定控制对策

为了切实保证边坡稳定安全，基于数值分析与极限平衡分析结果，充分借鉴条件类似矿山成功经验，针对东露天矿北帮东侧排土场不稳定边坡提出如下稳定控制对策：

1）结合现场实际采矿条件及边坡工程地质条件，针对因单台阶高度过大导致稳定性不满足要求的台阶采取局部削坡措施，通过施工，将单台阶高度和最终平盘宽度分别控制在30 m 和65 m[14]以内。

2）加强边坡巡查，必要时采用边坡雷达、GPS 等监测手段实现潜在不稳定区域的持续变形监测。雨季时，在排土场及其周边建立完善的防排水系统，使雨水尽快排出，降低地表水对边坡稳定的影响。

3）对已经到界的排土边坡，及时进行植树种草。与传统边坡防护相比，因具有长期有效地发挥涵水固土、稳定边坡表层、美化环境等功能，且费省效宏，生态护坡近年来逐渐受到人们重视[15-16]。

5 结论

1）建立了东露天矿北帮东侧外排土场边坡PFC 数值分析模型，通过对边坡应力分布规律、位移矢量特征以及潜在滑移区域进行分析研究，探明了排土场边坡的变形破坏模式及失稳机理，为稳定性定量计算及稳定控制措施确定提供了理论依据。

2）建立了SLIDE 极限平衡分析模型，通过计算确定了边坡不稳定位置及其安全系数。计算表明，7－2#剖面边坡上部第一级台阶安全系数为0.970，稳定状态为不稳定，上部第二级台阶安全系数为1.079，稳定状态为存在一定风险；7－3#剖面上部第一级台阶安全系数为1.073，稳定状态为存在一定风险。

3）基于数值分析与极限平衡分析结果，充分借鉴条件类似矿山成功经验，针对东露天矿北帮东侧排土场不稳定边坡提出了局部削坡、完善排水系统、变形监测和生态护坡相结合的边坡稳定控制措施，为实际生产提供了指导。